圖 | 相關(guān)論文（來源：受訪者）

“用于微波信號(hào)的行波泵浦參量放大器，在超導(dǎo)電路量子計(jì)算技術(shù)上扮演著至關(guān)重要的功能，也是目前美國絕對(duì)領(lǐng)先、我們需要重點(diǎn)攻關(guān)的技術(shù)難題之一。而用于光波信號(hào)的參量放大器，是目前集成光學(xué)技術(shù)中，國際上少數(shù)幾個(gè)仍然沒有被完美實(shí)現(xiàn)、但是很多人非常期待的功能之一。葉志超博士是目前國際上氮化硅非線性集成光學(xué)領(lǐng)域成果最為出色、技術(shù)最為全面的青年科學(xué)家之一，他的此項(xiàng)工作無疑是近年來集成光學(xué)領(lǐng)域最重要的成果之一。” 談及同行葉志超的最新成果，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的劉駿秋博士這樣告訴 DeepTech。

圖 | 葉志超（來源：受訪者）

克服二十多年的難題

據(jù)悉，光學(xué)參量放大器依賴于非線性材料來放大光波，這種方法在相位敏感模式下工作時(shí)，可提供遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)放大器量子極限的噪聲系數(shù)。

也正因此，光學(xué)參量放大器引起了光通信、超快信號(hào)處理和量子計(jì)量等領(lǐng)域科學(xué)家的廣泛興趣。

截止目前，連續(xù)波泵浦的參量放大器，只在體積龐大的系統(tǒng)中得到證明。例如，使用數(shù)百米基于三階非線性的高非線性光纖，或使用多個(gè)基于二階非線性的鈮酸鋰平面波導(dǎo)。

此前幾十年間，科學(xué)家們探索了高非線性材料，比如硅、砷化鋁鎵、非線性玻璃、石墨烯和等離子體等。但是，基于這些高非線性材料的光波導(dǎo)都有較高的線性損耗，并且受限于非線性損耗，比如雙光子吸收或自由載流子吸收。

因此，目前基于三階非線性的集成參量放大器都采用脈沖光泵浦。這大大限制了它在實(shí)際中的應(yīng)用，因?yàn)檫@種參量放大器無法放大實(shí)際應(yīng)用中的隨機(jī)信號(hào)。

一直以來，科學(xué)家們希望在芯片集成的三階非線性平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)連續(xù)光泵浦的參量放大，但做了二十多年始終未能取得滿意表現(xiàn)。而在這項(xiàng)成果中，葉志超和其團(tuán)隊(duì)首次在集成三階非線性平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了相關(guān)突破。

光學(xué)放大器是光科學(xué)、技術(shù)與應(yīng)用中必不可少的元件。其中，在相位敏感模式下的參數(shù)放大器，它們?cè)诜糯蠊庑盘?hào)的同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生多余的噪聲（不會(huì)降低信噪比），故此這一創(chuàng)新很有應(yīng)用前景。

“殺手锏”：超低損耗的氮化硅

研究中，葉志超和其團(tuán)隊(duì)使用超低損耗的氮化硅來解決該難題，他們?cè)?23mm2 面積的芯片上，制作了 1.4 米長的超低損氮化硅波導(dǎo)。

在該研究中，低損耗能提高波導(dǎo)的有效長度，從而實(shí)現(xiàn)較高的非線性相移，并產(chǎn)生放大器的增益。制作 1.4 米長的波導(dǎo)并不困難，但如果波導(dǎo)的損耗是 100 dB/m， 那么波導(dǎo)有效長度只有 0.04  米。而該團(tuán)隊(duì)將波導(dǎo)的損耗降低到 1.4dB/m，可實(shí)現(xiàn)大于 1 米的波導(dǎo)有效長度。

氮化硅的能帶隙相對(duì)較大，因此它能極大減少光通信波段中的非線性損失。氮化硅和二氧化硅包層形成了適中的折射率對(duì)比度，使其同時(shí)允許高光學(xué)約束、低損耗、高功率處理。而在集成光子學(xué)中，集成氮化硅平臺(tái)也是繼硅和磷化銦之后最成熟的材料，目前在非線性光信號(hào)的產(chǎn)生和處理上也有著核心應(yīng)用。

盡管已有團(tuán)隊(duì)在高 Q 氮化硅微諧振器上已取得成功，但低損耗氮化硅的米級(jí)別長波導(dǎo)，僅在低約束下可以實(shí)現(xiàn)。但由于此類波導(dǎo)的非線性較弱，因此并不適用于光學(xué)參數(shù)放大器。

因此，在實(shí)現(xiàn)基于四波混頻的、連續(xù)波泵浦參數(shù)放大的氮化硅中，必須實(shí)現(xiàn)具有高非線性和低傳播損耗的長波導(dǎo)。

葉志超介紹稱，波導(dǎo)損耗是影響光學(xué)參量放大器性能的關(guān)鍵因素，因?yàn)樗瑫r(shí)影響放大增益和噪聲系數(shù)。

如下圖所示，這是基于四波混頻的波導(dǎo)光學(xué)參量放大器的示意圖，輸入信號(hào)波在傳播過程中被泵浦光放大，并沿著傳播產(chǎn)生一個(gè)閑頻波，泵浦波因波導(dǎo)的損耗被衰減。

（來源：Science Advances ）

20 個(gè)波導(dǎo)幾乎個(gè)個(gè) “完美無缺”

葉志超告訴 DeepTech：“近年來，美國哥倫比亞大學(xué)和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)，陸續(xù)展示了超低損耗（~1 dB/m）的氮化硅微環(huán)形諧振腔。但是，在米尺度的氮化硅波導(dǎo)中，實(shí)現(xiàn)超低損耗是對(duì)制作工藝的良率的巨大挑戰(zhàn)。舉例來說，如果 0.1 米長的波導(dǎo)的良率是 90%，那么 1.4 米長的波導(dǎo)的良率僅僅只有 20%?！?/section>

 

他在論文中寫道，波導(dǎo)基模的損耗為 1.4dB/m，這也是迄今為止在高光學(xué)約束、米尺度氮化硅波導(dǎo)中最低的損耗，這要求每個(gè)螺旋波導(dǎo)幾乎都得是完美無缺的。

 

他使用氮化硅波導(dǎo)，在相位不敏感和敏感模式下，分別進(jìn)行了連續(xù)波泵浦參數(shù)放大實(shí)驗(yàn)。

在相位不敏感模式下，該連續(xù)波泵浦的參量放大器實(shí)現(xiàn)了 6.4 dB 的增益，其噪聲系數(shù)為 3.3±0.4 dB，這也是首次在集成的三階非線性平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)連續(xù)光泵浦下的參量放大。

對(duì)于相位敏感的參量放大，芯片上測量的放大系數(shù)在 1556nm 波長處為 9.5dB，其噪聲系數(shù)僅為 1.2±0.4dB，該噪聲系數(shù)顯著小于光學(xué)放大器中的量子極限 3dB。

通過改變泵浦光的相位，該放大器的增益能形成周期性變化，最大增益和最小增益的消光比達(dá)到 20dB，是光學(xué)再生和壓縮的重要因素，因此在量子光學(xué)中極具應(yīng)用前景。

是芯片級(jí)非線性光信號(hào)處理和無額外噪聲放大的里程碑

研究中所獲得的增益和噪聲系數(shù)，代表了芯片級(jí)非線性光信號(hào)處理和無額外噪聲放大的一個(gè)里程碑。

概括來說，在該研究中，葉志超和其團(tuán)隊(duì)展示了單個(gè)芯片中基于三階非線性的光學(xué)放大。此外，在進(jìn)行相位敏感操作時(shí)，放大器的噪聲系數(shù)顯著低于傳統(tǒng)量子極限。

（來源：Science Advances ）

 

葉志超預(yù)計(jì)，通過進(jìn)一步減少波導(dǎo)損耗、增加波導(dǎo)長度和減少模式串?dāng)_，可實(shí)現(xiàn)更高的光學(xué)參量放大器增益。

需要注意的是，光學(xué)參數(shù)放大器還可擴(kuò)展到其他波長，因?yàn)榈鑿目梢姽獾街屑t外波長范圍內(nèi)是透明的。結(jié)合氮化硅的優(yōu)點(diǎn)，連續(xù)波泵浦氮化硅的光學(xué)參量放大器，或在光通信、超快光譜、未來在量子光學(xué)和計(jì)量方面可能大有成就。

 

此前在超低損耗硅基光子學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)有所建樹的劉駿秋博士，繼續(xù)評(píng)論該成果稱：“不同于傳統(tǒng)的、僅在通訊波段工作的摻鉺放大器，光參量放大器幾乎適用于一切波段，且不引入額外噪聲。同時(shí)，參量放大器具備非互易性，即在放大有效光信號(hào)的同時(shí)，不會(huì)放大反射光或者噪聲光信號(hào)，從而能有效的保護(hù)激光源。這項(xiàng)工作成功實(shí)現(xiàn)了芯片集成的連續(xù)波泵浦光參量放大器，并論證了各項(xiàng)指標(biāo)的優(yōu)越性?！?/section>

此前全球從未有高校課題組攻克該難題

事實(shí)上，從讀博第一天開始，葉志超的導(dǎo)師彼得·A.安德烈森（Peter A.Andrekson）就明確給他定下目標(biāo)，要攻克這項(xiàng)從未有人攻克的難題。

 

他表示：“當(dāng)時(shí)，這個(gè)目標(biāo)對(duì)我來說就像珠穆拉瑪峰一樣遙不可及。我所在的團(tuán)隊(duì)在起步相對(duì)落后，很多技術(shù)是空白，氮化硅波導(dǎo)的損耗就高達(dá) 150dB/m，遠(yuǎn)落后于當(dāng)時(shí)先進(jìn)團(tuán)隊(duì)所達(dá)到的 5dB/m 波導(dǎo)損耗。不過，我很高興能在博士期間，將氮化硅波導(dǎo)損耗成功降低 100 倍，撥開烏云看到了 '珠峰’ 的美景?！?/section>

 

五年博士生期間，他逐步優(yōu)化氮化硅波導(dǎo)的工藝、降低波導(dǎo)的損耗，然后再優(yōu)化長波導(dǎo)的設(shè)計(jì)，接著提高工藝的良率，最終實(shí)現(xiàn)此結(jié)果。

而這也離不開其導(dǎo)師們的支持。其本科畢業(yè)于浙江大學(xué)光電信息工程學(xué)，碩博期間都留學(xué)于瑞典。他先是在 KTH 瑞典皇家理工學(xué)院拿到碩士學(xué)位，幾個(gè)月前博士畢業(yè)于查爾姆斯理工大學(xué)。

 

之所以選擇到 KTH 讀研，是因?yàn)樵摯髮W(xué)位于瑞典斯德哥爾摩市，這里也是諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)的地方，同時(shí)其本科導(dǎo)師、浙江大學(xué)時(shí)堯成教授在讀博期間，也曾在 KTH 留學(xué)。

 

讀博時(shí)來到查爾姆斯理工大學(xué)，則由于這里的集成光學(xué)的項(xiàng)目很吸引他。他個(gè)人覺得集成光學(xué)非常有前景，同時(shí)當(dāng)自己做出小芯片時(shí)，內(nèi)心非常有自豪感。

 

截至發(fā)稿，葉志超剛回國幾天有余，問及后續(xù)計(jì)劃他說：“希望能和志同道合的朋友將超低損氮化硅芯片在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)，并應(yīng)用在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界?！?/section>

 

-End-

 

翻譯支持：周靜昕